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Tecnologia de Fabricação Deformação dos materiais

Aula 3 - Deformação nos aços (elástica x plástica); - Trabalho a frio (encruamento); - Trabalho a quente; - Processo de recozimento: recuperação, recristalização e crescimento de grão.

Deformação nos Aços-C • A deformação possui 2 componentes: elástica e plástica; 

Metal



• Nos metais a deformação elástica é importante pois permite que o material absorva tensões sem se deformar permanentemente; • A deformação plástica é importante para metais nos processo de conformação mecânica  operações mecânometalúrgicas (laminação, forjamento, estampagem, estiramento, etc).

Deformação nos Aços • A deformação elástica ocorre quando uma tensão é aplicada sobre um metal, ou sobre qualquer material sólido, até um limite que após a remoção da carga permite que o material retorne as suas dimensões originais; • Quando a carga aplicada é de tração, a peça tensionada se torna ligeiramente mais longa; • No caso da carga ser compressiva, a peça se torna ligeiramente menor;

a)Tração

b)Nenhuma deformação

c) Compressão

Módulo de elasticidade (E) • Dentro dessa chamada “fase elástica”, a deformação é proporcional á tensão correspondente ao esforço aplicado. • A relação entre a tensão e a deformação é chamada de “MÓDULO DE ELASTICIDADE” (Módulo de Young), que é uma característica típica de cada material.  s

 s

• E = s / s = tg 



Módulo de elasticidade (E) • Distribuição da deformação elástica num metal

Módulo de elasticidade (E)

Deformação Plástica • Após o limite elástico a deformação torna-se permanente ou seja passa-se para a fase plástica; • Significado prático da deformação plástica: 1) Conformação mecânica (fabricação); 2) Comportamento em serviço. • Processo de deformação plástica: 1) Deformação por escorregamento; 2) Deformação via movimento de discordâncias; 3) Deformação por maclação.

Deformação plástica • Os materiais podem ser solicitados por tensões de compressão, tração ou de cisalhamento. • Como a maioria dos metais são menos resistentes ao cisalhamento que à tração e compressão e como estes últimos podem ser decompostos em componentes de cisalhamento, pode-se dizer que os metais se deformam pelo cisalhamento plástico ou pelo escorregamento de um plano cristalino em relação ao outro. • O escorregamento de planos atômicos envolve o movimento de discordâncias.

Deformação plástica e discordâncias • Em uma escala microscópica a deformação plástica é o resultado do movimento dos átomos devido à tensão aplicada. Durante este processo ligações são quebradas e outras refeitas; • Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve o escorregamento de planos atômicos, o movimento de discordâncias e a formação de maclas; • Então, a formação e movimento das discordâncias têm papel fundamental para o aumento da resistência mecânica em muitos materiais. A resistência Mecânica pode ser aumentada restringindo-se o movimento das discordâncias.

Deformação Plástica Deformação por escorregamento: • Os metais cúbicos e suas ligas desordenadas deformamse predominantemente por cisalhamento plástico, ou deslizamento, onde um plano de átomos desliza sobre o plano adjacente seguinte por cisalhamento. • A tensão de cisalhamento necessária para produzir deslizamento em um determinado plano cristalino é denominada tensão critica de cisalhamento.

Deformação Plástica Deformação por movimento de discordâncias: • O mecanismo de escorregamento por si só não explica a deformação dos metais; • Existe outro mecanismo de deformação por etapas ou degraus: via discordâncias

• Reticulado perfeito estado de mínima energia • Aplicação de tensão defeito na estrutura em linha (discordância)

Deformação Plástica Deformação por movimento de discordâncias:

Deformação Plástica Deformação por maclação: • Formação de estruturas “gêmeas” num cristal quando sujeita a tensão

Deformação Plástica x Microestrutura • Materiais tendem a se deformar quando submetidos a um esforço mecânico; • Alguns tem deformação elástica até a ruptura: materiais frágeis; • Alguns sofrem deformação permanente antes da ruptura; • Deformação plástica: permite a conformação mecânica.

Deformação Plástica x Microestrutura Rede Cristalina = várias células unitárias juntas

Grão = rede cristalina alinhada D ≈ 20 a 60 µm

Deformação Plástica x Microestrutura Mono Cristais Monofásicos Deformação Elástica: Retorno à condição Inicial F

F

Deformação Plástica: Não retorna à condição Inicial (formação de discordâncias ou maclas) F

F>tensão de Escoamento; Precisa levar em conta o tamanho de grão (TG)! Quanto menor TG mais força pra deformar.

F

Interação Discordância X Sol. Sólida

- Átomo de impureza restringe o movimento da discordância. - Ou seja, necessita de energia adicional para continuar escorregamento. - Assim, soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que seus metais puros constituintes

Metais deformados plasticamente

A habilidade de um material se deformar plasticamente está relacionado com a habilidade das discordâncias se movimentarem

Exemplos aplicação

Exemplos aplicação

Perfil I, barra para construção civil.

Treliça

Cuba Retangular

Caçarola

DEFORMAÇÃO A FRIO DEFORMAÇÃO A QUENTE

Deformação plástica a Frio e a Quente • Costuma-se distinguir o “trabalho mecânico a frio” do “trabalho mecânico a quente” por uma temperatura indicada como “temperatura de recristalização”.

• Temperatura de recristalização – A menor temperatura na qual uma estrutura deformada de um metal trabalhado a frio é restaurada ou substituída por uma estrutura nova, livre de tensões, após a permanência nessa temperatura por um tempo determinado”.

Trabalho a Frio e a Quente

Trabalho a Frio • Ocorre abaixo da temperatura de recristalização (próximo da temperatura ambiente); • Ocorre o fenômeno do ENCRUAMENTO, (“strain hardening”) • Os grãos alongam-se na direção do esforço mecânico aplicado (menos intensamente na laminação a frio e mais intensamente quando severamente estirado – trefilação).

Trabalho a Frio Características: • Objetivo: obtenção do metal na forma desejada e melhoria de suas propriedades mecânicas; • Conformação do material pela aplicação de pressão ou choque; • Processos: laminação, trefilação, forjamento, extrusão; • Ex. aplicação: perfis estruturais, chapas, fios, cabos, etc. • Aumenta a dureza e a resistência dos materiais, mas a ductilidade diminui; • Permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas; • Produz melhor acabamento superficial; • Ocorre o encruamento do material.

Trabalho a Frio • Expressa-se o grau de deformação plástica com um percentual de trabalho a frio; • O percentual de trabalho a frio (%TF) é definido como:

%TF = Ao-Af Ao Onde,

Ao Secção retangular

x 100

Ao: área original da secção reta; Af: área final, após deformação;

Ao Secção circular

Af

Af

Trabalho a Frio Vantagens: • Melhor controle dimensional; • Melhor acabamento superficial; • Aumento da resistência mecânica e dureza do material;

Desvantagens: • Maior energia para deformar; • Menor deformação; • O material após a conformação apresenta elevado estado de tensões (custo); • O material sofre maior oxidação, formando casca de óxidos; • Não permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas.

Trabalho a Frio e a Quente Comparativo: Trabalho a quente • grandes deformações; • recozimento; • baixa qualidade dimensional e superficial; • normalmente empregado para “ desbaste”; • peças grandes e de formas complexas; •contração térmica, crescimento de grãos, oxidação.

Trabalho a frio • • • • • •

pequenas deformações (relativamente); encruamento; elevada qualidade dimensional e superficial; normalmente empregado para “ acabamento” recuperação elástica; equipamentos e ferramentas mais rígidos

Encruamento Encruamento ou endurecimento pela deformação à frio: • É o fenômeno no qual um material endurece devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho à frio) • Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o escorregamento dos planos atômicos • A medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária para produzir uma maior deformação • O encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recristalização)

Encruamento Representação esquemática do efeito do encruamento na estrutura metálica

Grãos alongados

Encruamento e microestrutura

• Antes da deformação

• Depois da deformação

Efeitos do encruamento nas características mecânicas de metais Liga

Estado

Resist. a tração

Alongamento Dureza

Kgf/mm²

%

Brinell

33,6

38%

120

Aço doce (1010)

normal

Aço doce (1010)

Trabalhado 91,0 a frio

2%

265

Aço inoxidável

normal

60%

165

Aço inoxidável

Laminado a 129,0 a frio

9%

380

77,0

Encruamento e propriedade ENCRUAMENTO DEVIDOS AO TRABALHO A FRIO NA CURVA TENSÃO VS. DEFORMAÇÃO

Encruamento e propriedade Representação esquemática do efeito do encruamento nas propriedades resistência mecânica e ductilidade

Encruamento X Recozimento • As propriedades e a estrutura do metal alteradas pelo trabalho a frio podem ser recuperadas ou devolvidas ao estado anterior ao encruamento mediante um tratamento térmico de recristalização ou “recozimento”. • Com isso a elevada energia interna do encruamento tende a desaparecer e o metal tende a voltar a condição de energia livre, resultando num amolecimento (queda de dureza) e isenção paulatina das tensões internas.

Processo de recozimento • 1. 2. 3.

Três etapas: Recuperação Recristalização Aumento do tamanho de grão

Recuperação • Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica • Nesta etapa há uma redução do número de discordâncias e um rearranjo das mesmas • Propriedades físicas como condutividade térmica e elétrica voltam ao seu estado original (correspondente ao material não-deformado)

Recristalização • Depois da recuperação, os grão ainda estão tensionados • O número de discordâncias reduz mais ainda • As propriedades mecânicas voltam ao seu estado original

Recristalização

Crescimento de grão

Propriedade x Temperatura de recozimento Modificação das propriedades mecânicas e do tamanho de grão pela recuperação, recristalização e crescimento de grão

Aumento da resistência pela diminuição do tamanho de grão • O contorno de grão funciona como um barreira para a continuação do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes no contorno de grão.

Crescimento de grão • A temperatura continuando a aumentar, os grãos cristalinos, agora inteiramente livres de tensões, tendem a crescer. Este crescimento de grão é também favorecido pela permanência a temperaturas acima da de recristalização. Com isso os grãos menores são engolidos pelos maiores. • Desse modo, a única maneira de diminuir ou refinar o tamanho de grão consiste em deformar plasticamente os grãos existentes e iniciar a formação de novos grãos.

Crescimento de grão Formação de novos grãos

Crescimento de grão • A granulação grosseira torna o material quebradiço,porque a coesão entre os grãos é afetada pela concentração de impurezas nos seus contornos e com o aumento da granulação dessa concentração; • As fissuras também se propagam mais facilmente no interior dos grãos graúdos. • Por isso, entre os aços de igual composição, os grãos mais finos possuem melhores propriedades mecânicas.

Referências Bibliográficas Básica • CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica Vol I e III. Makron Books do Brasil, São Paulo, 2ª ed., 1986. • CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução. Rio de Janeiro: LTC, 1999. • COTRELL, H. A. Introdução à Metalurgia: Lisboa: Fundação Calouse Gulbenkian, 1976. • REED-HILL, R. E. Princípios de Metalurgia Física. Guanabara Dois, 1982.

Complementar • VAN VLACK, Lawrence Hall / Ferrao, Luiz Paulo Camargo. Principios de ciencia dos materiais. Edgard Blucher. (1988) Sao Paulo. Cdu: 620.1 Cutter: V284p. • GENTIL, V.; "Corrosão" Ed. Guanabara - Rio de Janeiro, 1987 453p. • CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos, ABM....